CN204741395U - 一种低速筒形双动子永磁直线发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低速筒形双动子永磁直线发电机。解决的技术问题：针对现有直驱式波浪发电用永磁直线电机在低速运行时电机内磁阻力较大，电机内气隙磁通密度低，输出电能效率低，电能质量不高的问题。采取的技术方案是，包括定子结构、内动子结构和外动子结构；定子结构位于外动子结构内，内动子结构位于定子结构内；定子结构包括定子绕组和用于支撑定子绕组的支撑环；内动子结构包括中空内动子铁芯、内动子永磁体环组件和内动子轴；外动子结构包括中空外动子铁芯、外动子永磁体环组件和中空外动子轴。优点，本电机磁阻力小、抖动小、磁能密度高、效率高、成本低，可用于直接驱动的波浪能发电或者采用直线运动驱动的发电装置中。

Description

一种低速筒形双动子永磁直线发电机

技术领域

本实用新型涉及一种直线发电机，特别涉及一种低速筒形双动子永磁直线发电机。

背景技术

目前已经有多种新型结构的直线电机应用于波浪发电装置中，首先这些直线电机需要与直驱波浪发电装置相配合设计，且体积较大，功率密度低，输出电能中存在的高次谐波含量较高。其次，永磁直线电机的初级铁心与次级永磁体之间存在较大的磁阻力，影响电机运动的平稳性。最后，我国海域的波浪能量密度低、波速较低且不规则，对波浪发电用直线电机的低速特性要求较高。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有直驱式波浪发电用永磁直线电机在低速运行时电机内磁阻力较大，电机内气隙磁通密度低，输出电能效率低，电能质量不高的问题。

本实用新型的设计思想是，采用内动子永磁体环组件上的永磁环与外动子永磁体环组件上相对应的永磁环径向充磁方向相同，轴向充磁方向相反的结构；该结构特点可以有效提高电机气隙径向磁通密度，同时降低电机气隙轴向磁通密度，即可以有效提高输出电能质量及发电效率，同时降低电机轴向吸力。

为解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案是：

一种低速筒形双动子永磁直线发电机，包括定子结构、内动子结构和外动子结构；定子结构位于外动子结构内，内动子结构位于定子结构内；外动子结构与定子结构之间留有外气隙，内动子结构与定子结构之间留有内气隙；外气隙宽度大于内气隙宽度，且外气隙宽度范围：3mm～6mm，内气隙宽度范围：2mm～5mm；

定子结构包括定子绕组和用于支撑定子绕组的支撑环；

内动子结构包括中空内动子铁芯、内动子永磁体环组件和内动子轴；内动子永磁体环组件采用表贴式结构贴于内动子铁芯的外圆周表面上；内动子轴位于中空内动子铁芯内，且两者之间紧密贴合；

外动子结构包括中空外动子铁芯、外动子永磁体环组件和中空外动子轴；中空外动子铁芯位于中空外动子轴内，且两者之间紧密贴合；外动子永磁体环组件采用表贴式结构贴于中空外动子铁芯的中空内腔壁上；

其中，内动子永磁体环组件和外动子永磁体环组件均包括至少两个的径向充磁永磁体环和至少两个的轴向充磁永磁体环，径向充磁永磁体环和轴向充磁永磁体环交错排布；内动子永磁体环组件和外动子永磁体环组件内的永磁环均一一对应设置；内动子永磁体环组件上的永磁环与外动子永磁体环组件上相对应的永磁环径向充磁方向相同，轴向充磁方向相反。

本实用新型电机中的外动子铁芯和内动子铁芯采用硅钢片叠成，内动子轴和外动子轴均采用非导磁性材料。外动子铁芯和内动子铁芯采用硅钢片叠成，可达到减小涡流损耗的优点；内动子轴和外动子轴采用非导磁性材料，可减小电机内磁阻力，简化安装工艺，增强电机稳固性。

对上述技术方案的改进，支撑环采用环氧树脂制成。本实用新型中的定子结构采用的无铁芯结构，减少了电机的内动子和定子间的轴向作用力，减少了电机的外动子和定子间的轴向作用力。同时采用环氧树脂制成的支撑环结构用来支撑定子绕组，可以减低电机双动子结构与定子结构间的磁阻力。

对上述技术方案的进一步改进，定子绕组为饼型集中绕组。本实用新型采用的饼型集中绕组线圈，绕组利用率高，产生的电动势幅值大。

对上述技术方案的更进一步改进，内动子结构、外动子结构和定子结构均为筒型结构。本实用新型中的动子结构和定子结构均采用筒型结构，目的是由于内动子结构、外动子结构和定子结构均采用筒型结构，使得本发电机的内动子和定子间的径向作用力相互抵消，外动子和定子间的径向作用力相互抵消。此外，本发电机的筒型设计结构也降低了平板式等其他普通直线电机在运动时出现的抖动现象，增加了电机的稳固性和效率；所以，本电机在启动与运行时阻力小，耗能少，能量转换率高。

对上述技术方案的更进一步改进，本实用新型中为提高电机的气隙磁通密度，提高电机电能输出效率；内动子永磁体环组件和外动子永磁体环组件均包括至少两个的径向充磁永磁环和至少两个的轴向充磁永磁环，且径向充磁永磁环和轴向充磁永磁环交错排布。

本实用新型电机的内动子结构和外动子结构作往复直线运动时，内动子和外动子永磁体环结构产生的磁场将在定子绕组中产生磁链，由磁链的变化形成发电机的空载感应电动势，永磁磁链和感应电动势的关系如式(1)和式(2)的表述。

e＝-dψ/dt＝-ndΦ/dt    (1)

Φ＝∫B_r(z)dS＝πD∫B_r(z)dz    (2)

式(1)和(2)中，B_r(z)是气隙磁通密度径向值，ψ、Φ分别是绕组磁链和磁通，n表示绕组匝数，D为外动子外径。

因此，本电机采用双动子双侧混合方向充磁永磁体环结构，提高电机气隙磁通密度径向分量B_r(z)，在电机低速运行时提高绕组磁链变化量，即提高发电机在低速运行下的输出电压幅值，解决电机电能输出效率低的技术问题。

由于永磁体环和铁芯结构的存在，永磁直线电机内部产生周期变化的磁阻力，使电机在启动和运行时产生抖动，能耗增加。由麦克斯韦应力张量法，电机磁阻力与气隙磁密的变化关系如式(3)的表述：

$F=\∫\∫\frac{1}{2\mathrm{\μ}}\left(B_n^2-B_t^2\right)ds+\∫\∫\frac{1}{\mathrm{\μ}}{B}_n{B}_{t}ds---\left(3\right)$

式(3)中，B_n为电机气隙磁密法向分量，B_t为电机气隙磁密切向分量。

因此，电机采用所述双动子双侧混合方向充磁永磁体环结构，削弱了气隙磁通密度轴向分量(即法向分量)，增强气隙磁通密度径向分量(即切向分量)，降低了电机磁阻力，解决电机内部阻力大、抖动现象，在电机低速运行下提高了发电机的能量转换效率和运行稳固性。

作为本实用新型的另一种改进方案，根据电机的可逆原理，本电机采用双定子结构，包括内定子结构和外定子结构，在内定子外侧、外定子内侧安装永磁体环组件；电机动子采用无铁芯式结构，并采用饼式集中绕组。

本实用新型与现有技术相比的优点：

1、本电机采用双动子双侧混合充磁结构，在电机低速运行时提高电机气隙径向磁通密度，即提高发电机输出电压幅值，解决电机电能输出效率低的技术问题。

2、本电机双动子结构与定子结构均采用圆筒型结构，使得电机的内动子和定子间的径向作用力相互抵消，外动子和定子间的径向作用力相互抵消；该结构可降低电机内磁阻力波动幅值，增强电机稳固性，降低电机损耗。

3、本电机内相对的内动子永磁体环与外动子永磁体环径向充磁方向相同，相对的内动子永磁体环与外动子永磁体环轴向充磁方向相反。该结构特点可以有效提高电机气隙径向磁通密度，同时降低电机气隙轴向磁通密度，即可以有效提高输出电能质量及发电效率，同时降低电机轴向吸力。

4、本电机磁阻力小、抖动小、磁能密度高、效率高、成本低，可用于直接驱动的波浪能发电或者采用直线运动驱动的发电装置中。

附图说明

图1为本实施例电机的三维结构示意图。

图2为本实施例电机的二维结构示意图。

图3为本实施例电机双动子双侧永磁体环组件的磁力线示意图。

图4为本实施例电机双动子双侧永磁体环磁力线分布图。

图5为实施例电机气隙磁密谐波含量。

其中，1、中空外动子轴，2、中空外动子铁芯，3、外动子永磁体环组件，4、内动子轴，5、中空内动子铁芯，6、内动子永磁体环组件，7、支撑环，8、定子绕组。

具体实施方式

为使本实用新型的内容更加明显易懂，以下结合附图1-图5和具体实施方式做进一步的描述。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例：

图1是本实施例发电机的立体图，如图1所示，本实施例的低速筒形双动子永磁直线发电机，包括定子结构、内动子结构和外动子结构；定子结构位于外动子结构内，内动子结构位于定子结构内；外动子结构与定子结构之间留有的优选外气隙3mm，内动子结构与定子结构之间留有的优选内气隙2mm；

如图1所示，本实施例中的内动子结构、外动子结构和定子结构均为筒型结构，使得本发电机的内动子和定子间的径向作用力相互抵消，外动子和定子间的径向作用力相互抵消。此外，本发电机的筒型设计结构也降低了平板式等其他普通直线电机在运动时出现的抖动现象，增加了电机的稳固性和效率；所以，本电机在启动与运行时阻力小，耗能少，能量转换率高。

本实施例电机中的外动子铁芯和内动子铁芯采用硅钢片叠成，内动子轴和外动子轴均采用非导磁性材料。外动子铁芯和内动子铁芯采用硅钢片叠成，可达到减小涡流损耗的优点；内动子轴和外动子轴采用非导磁性材料，可减小电机内磁阻力，简化安装工艺，增强电机稳固性。

本实施例中的发电机定子结构采用的是无铁芯结构；采用环氧树脂制成的支撑环7结构用来支撑定子绕组8。定子绕组8采用饼式集中绕组。

本实施例中的内动子结构包括中空内动子铁芯5、内动子永磁体环组件6和内动子轴4；内动子永磁体环组件6采用表贴式结构贴于内动子铁芯5的外圆周表面上；内动子轴4位于中空内动子铁芯5内，且两者之间紧密贴合。外动子结构包括中空外动子铁芯2、外动子永磁体环组件3和中空外动子轴1；中空外动子铁芯2位于中空外动子轴1内，且两者之间紧密贴合；外动子永磁体环组件3采用表贴式结构贴于中空外动子铁芯2的中空内腔壁上。内动子永磁体环组件6和外动子永磁体环组件3均包括四个的径向充磁永磁体环和四个的轴向充磁永磁体环，径向充磁永磁体环和轴向充磁永磁体环交错排布，且内动子永磁体环组件6和外动子永磁体环组件3内的永磁环均一一对应设置。内动子永磁体环组件6上的永磁环与外动子永磁体环组件3上相对应的永磁环径向充磁方向相同，轴向充磁方向相反。如图2所示。

如图3所示，内动子永磁体环结构6放置在内动子铁芯5外侧，外动子永磁体环结构3放置在外动子铁芯2内侧。内动子永磁体环组件6上的永磁环与外动子永磁体环组件3上相对应的永磁环径向充磁方向相同，轴向充磁方向相反。双动子双侧混合方向充磁永磁体环结构，削弱了气隙磁通密度轴向分量(即法向分量)，增强气隙磁通密度径向分量(即切向分量)，降低了电机磁阻力，解决电机内部阻力大、抖动现象，在电机低速运行下提高了发电机的能量转换效率和运行稳固性。

如图4所示为采用有限元分析法对双动子双侧永磁体环产生的磁力线分布情况进行数值计算，验证了如图3所示的分析结果。

对电机双动子间的气隙磁通密度分布曲线进行傅里叶分析，得出气隙磁通密度的谐波含量如图5所示。可知，采用双动子双侧永磁体环结构可以有效降低气隙密度的高次谐波含量，提高电机输出电能质量。

本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

本实用新型中所述具体实施案例仅为本实用新型的较佳实施案例而已，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本实用新型的技术范畴。

Claims (4)

1.一种低速筒形双动子永磁直线发电机，其特征在于，包括定子结构、内动子结构和外动子结构；定子结构位于外动子结构内，内动子结构位于定子结构内；外动子结构与定子结构之间留有外气隙，内动子结构与定子结构之间留有内气隙；外气隙宽度大于内气隙宽度，且外气隙宽度范围：3mm～6mm，内气隙宽度范围：2mm～5mm；

定子结构包括定子绕组(8)和用于支撑定子绕组(8)的支撑环(7)；

内动子结构包括中空内动子铁芯(5)、内动子永磁体环组件(6)和内动子轴(4)；内动子永磁体环组件(6)采用表贴式结构贴于内动子铁芯(5)的外圆周表面上；内动子轴(4)位于中空内动子铁芯(5)内，且两者之间紧密贴合；

外动子结构包括中空外动子铁芯(2)、外动子永磁体环组件(3)和中空外动子轴(1)；中空外动子铁芯(2)位于中空外动子轴(1)内，且两者之间紧密贴合；外动子永磁体环组件(3)采用表贴式结构贴于中空外动子铁芯(2)的中空内腔壁上；

其中，内动子永磁体环组件(6)和外动子永磁体环组件(3)均包括至少两个的径向充磁永磁体环和至少两个的轴向充磁永磁体环，径向充磁永磁体环和轴向充磁永磁体环交错排布；内动子永磁体环组件(6)和外动子永磁体环组件(3)内的永磁环均一一对应设置；内动子永磁体环组件(6)上的永磁环与外动子永磁体环组件(3)上相对应的永磁环径向充磁方向相同，轴向充磁方向相反。

2.如权利要求1所述的低速筒形双动子永磁直线发电机，其特征在于，支撑环(7)采用环氧树脂制成。

3.如权利要求1所述的低速筒形双动子永磁直线发电机，其特征在于，定子绕组(8)为饼型集中绕组。

4.如权利要求1所述的低速筒形双动子永磁直线发电机，其特征在于，内动子结构、外动子结构和定子结构均为筒型结构。